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1、題目: AlGalnP紅光半導體材的介紹教授：郭艷光師學號8522055姓名：許玉晶Introdu ction在整個射發展的域當中，從最早的氣態射、液能射、固態 射到現在的半導體射，我們可以感受的到，半導體射已漸漸地闖 出屬於它自己的一片天空，因為它但具有體積小的優點，且材 貴、損耗的功低、可調的射光的頻及高的穩定性。而其中 又以紅光半導體射發展得最為成功及廣泛。在半導體射開始崛起以後 ，已經有許多的物質成功地被研究出能發出紅光。而這其中又以AlInGaP最具代表性，因為它能在室溫底下發出波長為0.6 m的紅光射且是為續波 (cw)，此外，它具有很大的 直接價帶能 (direct energy
2、 band-gap)，還有GaAs這個導體材能與 它有很好的晶格匹配，而可以作為半導體元件的基板及接合層，讓它夠順地形成雙質結構。如圖一所示。p-electrodep-GaAsp-InGaAlPInGaP 4:n-InGaAlPn-GaAs n-electrode(Cap)Cladding layer) (Active layer)Cladding layer)(Substrate)圖一 AlInGaP 之雙質結構它的發光原是：用加順向電壓在元件端，使元件產生由p極指向 n 極的電場，將 cladding layer 中的電及電子趕到中間的活性層， 當導電帶的電子往下跳至價電帶後，與電結合形成
3、電子電對後， 會以光子的形式釋放出能，這就是我們所看到的射光。其在日常生活中最常的運用有：寫入和取 DVD、發光二極體(LED)、射筆( laser pointer) 等等。二 、 InG aA lP 雙 質 結 構 的 特 性(1) 物質 任何一個物質系統皆具有許多的特性，我們用許多的符號及代 表它，稱之為物質 。半導體也外 ，它也具有許多的物質， 這在設計半導體射裝置時，為我們提供少的。而 AlInGaP 這個材它較常用的物質有：band-gap energy、band offset、refractive index等。band-gap energy指的是活性介質射上能階(導 電帶)至射下
4、能階(價電帶)的能差；band offset指的是活性介質與P極(或n極)的導電帶(或價電帶)之能差，如圖二所示， refractive index指 的則是AlInGaP對各個頻光的折射。4 Band offsetEnergy band-gap Band offsetcladding : active： cladding圖二 Band diagram for AlGaInP double heterostructure(2) Energy band-gapAlInGaP它真正的表示式應為(Al Ga ) In P。有研究指出，AlInGaPx 1-x 0.5 0.5的 energy band
5、-gap 會與 Al 成份的多寡有關，即 Al 愈多， energy band-gap 愈大， Al 愈少， energy band-gap 愈小。這是因為 Al 是在週 期表皿A族中是位於較上方的，為較小的原子，能與P形成較強的化。這也就是圖一之結(1)學鍵，這就使得它們的 energy band-gap 較大 構形成的原因。其學關係式如下：E = 1.9 + 0.6x (eV)g將E對x作圖後，其結果如圖三。g從圖三我們能很容看出並加以驗証學式中係，A就是 Al 愈多， energy band-gap 愈大。E _ he = 1240 (eV - nm) ghc九九(nm)Eg與x之間的線
6、性關代回(1)九二 124 (nm)(2)1.9 + 0.6 x將九對x作圖，其結果如圖四。E g圖三 energy band-gap 與 Al 的組成 x 之關係圖Y匸呂匸寄希5因為在實際生活中，知道鋁的組成比就能知道其發光波長，往往 比知道其價帶能要得方許多，所以在這將 E -X之關係圖延g伸為九-X之關係圖以供考。從圖中很明顯可以看出， Al的組成成 份 x 愈高，所激發出的射光波長就愈短，也就是其能愈大。且 從圖中還可以看到 AlInGaP 所能放射出的射波長最長約 650nm (InGaP)，最短約為 495nm (AlGaP)。一般用取 DVD最常的波長約為 630nm，從圖上我們
7、並難看 出其對應到的x直約為0.04，也就是由(Al0.04Ga0.96)0.5In0.5P這個材 所激發出的射光，所做出的運用。而一般用寫入 DVD的波長約為680nm，但是從圖中只能看到InGaP 這個材可以發出的最長波長為 650nm的射，卻找到可以發出波長為680nm的射的材。這是因為式(1)中所描述的，是AlInGaP在自然長晶(Random Alloy)的情況下所具有的能帶間隙特性，過 如果我們特別看 InGaP這個物質的話，我們會發現，當InGaP它是 以 GaP-InP 一層一層有次序的薄膜 ( Ordered GalnP)以超晶格的方式 長上 的時候，其 energy ban
8、d-gap就會變小，約為1.84eV，代回式(2) 計算一下，可以得到波長約為 680nm的射光，也就是寫入 DVD所需要的波長。由以上所述，InGaP的能帶間隙會與本身的 原子排有關係，過呢，這個情形在 AlInP並會發生。因此，我 們可以知道，雖然寫入和取 DVD的射光，同樣為 AlInGaP這個 物質，但是在其原子成份比上或原子的排方式上，是具有 很大的差的。(3) Gain-Current Characteristics大部份的半導體材其增g與入射電電密 J之間，皆存有近似線性的關係，即外加電愈大，趨使的電子電也就愈多，增就愈 大。AlInGaP也外，它同樣具有這個特性，其學關係式可表
9、示 為：g=( 丄A0)(3)id 0n I : internal efficiency below the thresholdd： the thickness of the active layerB、 A0 ： coefficients有人已用實驗測出、A0會與溫有關係，其實驗結果如下圖五。從圖中我們可以很清楚地看到，會隨著溫的升高而下，A0則會隨著溫的上升而上升，將這個觀察結果與式(2)相對照一下，可以看出增 g是會隨著溫的升高而下的。(4) Effect of Carrier Overflow在AlInGaP的雙質結構中，常常會因為活性層的導電帶(價帶)與 p、n極的導電帶(價帶)能差
10、太小 ，而導致載子溢(carrier overflow) 的情形，如圖所示。當元件在運作，而有載子溢的情形發生時， 會讓元件產生許多必要的熱功，使得整個元件的溫往上升， 但容燒壞元件，會使得增低，所以我們會儘避免有載子 溢的情況發生。此外，當我們想要此射能發出較短波長的光時，就必須讓活性層的 energy band-gap ( E act)大一 點才可以，但是這會使得圖中活性層與p g極的導電帶能差變小，這就容造成載子溢的發生。所以， 載子溢是限制 AlInGaP往短波長發展的一項重要因素。 幸好，有人發現載子溢的情形可以藉著在 p極中滲進很濃的電而 加以改善，其經由計算而加以模凝的結果如圖七
11、所示：98 7 6 5 4 3 EnE02)42 lj1-100-50050100Tempe r a tur e T (C)圖五Measured coefficient as a function of temperature圖 Band diagram for AlGaInP double heterostructureband diagrams and carrier distributions, (a)圖七 Calculated examples of the band diagrams and carrier distribution.(a)p=lxl0i7cm-3 , (b)p=lx
12、l0i8cm-3在圖七的能帶圖中，Ec與Ev為導電帶與價帶，Efn與Efp為quasi-Fermi level ；而在載子分布圖中，實線代表電子虛線代表電。從圖中我 們可以看出, 當 n極摻的電子濃維持-定，而p極摻的電濃較高時， p極的導電帶與價帶的能會整個往上提升，如此- ，活性層導電帶中的電子在面對較高的能差之情形下，容往 p 極的高能階升爬，也就容往 p 極跑。由以上可知，當 p 極 摻有較大的電濃時，較容有載子溢的情形發生。(5) I-V 特性 在 AlGaInP/GaAs 這個雙質結構系統中 ，具有一個特性，即 AlGaInP 與 GaAs 之間的價帶能差非常大，如圖八所示。從圖中
13、可看出，這 樣大的能差對入射電而言，就好像碰到一面牆壁一樣，使得入射 電無法通過，而必須要有足夠大的電壓(稱 voltage drop )，才能有 電通過，如此一，要入射電達到能產生射光的界1/K1Eg11EcEvn-AlGalnP ： active : p-AlGalnP : p-GaAsII丄I圖八 Band diagram for AlGaInP/GaAs電時 ，需要很大的電壓 ，這在實際的運作上，並符合經濟效應； 而又因為 GaAs 對於 AlGaInP 射而言，是一個很好的基板或接合層 材質，所以我們能使用它，必須想辦法改善這個缺點。要改 善這個缺點有三個方法： 第一，減低p-AlG
14、alnP中Al的含。就如同前面所述當Al愈少，p-AlGaInP的Eg就會愈小，p-AlGaInP 與 p-GaAs 間價帶的能差就會愈小，就能減低 voltage drop 的值。 但是這樣子的作法會容有載子溢的情形發生。第二，在 p-AlGaInP 中摻進很高的電濃。誠如之前所提，當p-AlGaInP具有較高的電濃時，其導電帶與價 帶的能會整個往上提升，p-AlGaInP與p-GaAs之間價帶的能差 就能減小，也就能低 voltage drop 的值 。其實驗結果如圖九所示， 圖中虛線所代表的是計算值，實線所代表的是實驗結果。從圖中我們 可以看到，I-V特性線的voltage drop直但
15、會隨著電濃的提高 而減小，還具有較陡的特性，也就是在同樣的電壓之下，它會出較 大的電，因此，在 p-AlGaInP中摻進很高的電濃是提升經濟效 應一項很好的方法。第三，在p-AlGaInP與p-GaAs之間加進一層p-GaInP 由於 p-GaInP 的 energy band-gap 比 p-AlGaInP 小，也就是它會介於 p-AlGaInP 與 p-GaAs 之間。其道就好比我們在爬梯，是一次爬 一個階梯比較輕鬆呢，還是一次爬二個階梯比較輕鬆？相信大家會 覺得是-次爬-個階梯比較輕鬆。這也就是為麼在 p-AlGaInP與 p-GaAs之間加進一層p-GaInP能減小voltage drop的直的原因 其 實驗結果如圖十所示。Voltage (V)圖九 Dependence of the current density vs. vol
